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JPWO2017169682A1 - Metal-containing cluster catalyst, carbon dioxide reduction electrode and carbon dioxide reduction apparatus using the same - Google Patents

Metal-containing cluster catalyst, carbon dioxide reduction electrode and carbon dioxide reduction apparatus using the same Download PDF

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Abstract

高い触媒活性および選択性をもって二酸化炭素の還元反応を促進・制御することが可能な金属含有クラスター触媒並びにこれを用いた二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置を提供することを目的とする。金属含有クラスター触媒は、二酸化炭素を還元するために用いられる触媒であって、前記触媒が、金、銀、銅、白金、ロジウム、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、イリジウムおよびルテニウムから選択される1種の金属原子(M)を含んでなるクラスターである。An object of the present invention is to provide a metal-containing cluster catalyst capable of promoting / controlling the reduction reaction of carbon dioxide with high catalytic activity and selectivity, as well as an electrode for carbon dioxide reduction and a carbon dioxide reduction device using the same. A metal-containing cluster catalyst is a catalyst used to reduce carbon dioxide, the catalyst comprising gold, silver, copper, platinum, rhodium, palladium, nickel, cobalt, iron, manganese, chromium, iridium and ruthenium. It is a cluster comprising one selected metal atom (M).

Description

本発明は、金属含有クラスター触媒並びにこれを用いた二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置に関するものである。   The present invention relates to a metal-containing cluster catalyst, an electrode for carbon dioxide reduction and a carbon dioxide reduction device using the same.

一般に、触媒とは、化学反応を起こす物質系の反応速度を変え、自らは化学変化しない物質をいい、触媒の種類(材料や形態など)によって特定の化学反応への選択性や、反応効率が異なる。   In general, a catalyst is a substance that changes the reaction rate of a substance system that causes a chemical reaction and does not change itself. Depending on the type of catalyst (material, form, etc.), selectivity for a specific chemical reaction and reaction efficiency are high. Different.

また、触媒材料としては、金属材料が広く用いられており、特に反応性の良さから貴金属材料が重用されている。例えば、特許文献1では、特定の反応において選択性のある貴金属触媒が開示されている。また、近年では、酸化物触媒も着目されてきており、特許文献2では、触媒活性および選択性に優れた酸化物触媒が開示されている。   In addition, a metal material is widely used as the catalyst material, and a noble metal material is heavily used because of particularly good reactivity. For example, Patent Document 1 discloses a noble metal catalyst that is selective in a specific reaction. In recent years, an oxide catalyst has attracted attention, and Patent Document 2 discloses an oxide catalyst excellent in catalytic activity and selectivity.

特開2007−090164号公報JP 2007-090164 A 特開2007−301470号公報JP 2007-301470 A

しかしながら、二酸化炭素の還元反応においては、選択性をもった化学反応の制御が未だ十分にできておらず、目的物を高い反応効率で得ることはできていなかった。そのため、高い選択性をもって二酸化炭素の還元反応を制御できる触媒の開発が望まれている。   However, in the reduction reaction of carbon dioxide, the chemical reaction with selectivity has not been sufficiently controlled, and the target product has not been obtained with high reaction efficiency. Therefore, development of a catalyst that can control the reduction reaction of carbon dioxide with high selectivity is desired.

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、高い触媒活性および選択性をもって二酸化炭素の還元反応を促進・制御することが可能な金属含有クラスター触媒並びにこれを用いた二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置を提供することを目的とする。   Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a metal-containing cluster catalyst capable of promoting and controlling the reduction reaction of carbon dioxide with high catalytic activity and selectivity, and carbon dioxide reduction using the same. It is an object to provide an electrode for use and a carbon dioxide reduction device.

本発明者らは上記課題を解消するために鋭意検討した結果、ある特定の金属を含んでなる金属含有クラスター触媒が二酸化炭素の還元反応に卓越した性能を発現することを見出した。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that a metal-containing cluster catalyst containing a specific metal exhibits excellent performance in the reduction reaction of carbon dioxide.

すなわち、本発明の要旨構成は、以下のとおりである。
[1] 二酸化炭素を還元するために用いられる触媒であって、
前記触媒が、金、銀、銅、白金、ロジウム、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、イリジウムおよびルテニウムから選択される1種の金属原子(M)を含んでなるクラスターである、金属含有クラスター触媒。
[2] 前記クラスターが、前記金属原子(M)を含む金属酸化物からなる、上記[1]に記載の金属含有クラスター触媒。
[3] 前記クラスターが、下記一般式(1)で表される、金属単体または金属酸化物からなる、上記[1]または[2]に記載の金属含有クラスター触媒。
・・・(1)
但し、前記式(1)において、Mは、前記金属原子(M)を表し、nおよびmは整数であり、nは30以下であり、mはnとの関係でm/n比が0〜2である。
[4] 前記式(1)において、mは、nとの関係で、m/nが0.5〜1.5となる整数である、上記[3]に記載の金属含有クラスター触媒。
[5] 前記クラスターの一次粒径が0.1〜3.0nmである、上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の金属含有クラスター触媒。
[6] 上記[1]〜[5]のいずれか1項に記載の金属含有クラスター触媒を含む、二酸化炭素還元用電極。
[7] 上記[6]に記載の二酸化炭素還元用電極を備える、二酸化炭素還元装置。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
[1] A catalyst used for reducing carbon dioxide,
A metal in which the catalyst is a cluster comprising one metal atom (M) selected from gold, silver, copper, platinum, rhodium, palladium, nickel, cobalt, iron, manganese, chromium, iridium and ruthenium Containing cluster catalyst.
[2] The metal-containing cluster catalyst according to [1], wherein the cluster is made of a metal oxide containing the metal atom (M).
[3] The metal-containing cluster catalyst according to [1] or [2], wherein the cluster is composed of a single metal or a metal oxide represented by the following general formula (1).
M n O m (1)
However, in the said Formula (1), M represents the said metal atom (M), n and m are integers, n is 30 or less, m is a m / n ratio with respect to n, 0- 2.
[4] The metal-containing cluster catalyst according to [3], wherein in the formula (1), m is an integer such that m / n is 0.5 to 1.5 in relation to n.
[5] The metal-containing cluster catalyst according to any one of [1] to [4], wherein a primary particle size of the cluster is 0.1 to 3.0 nm.
[6] An electrode for carbon dioxide reduction comprising the metal-containing cluster catalyst according to any one of [1] to [5].
[7] A carbon dioxide reduction device comprising the carbon dioxide reduction electrode according to [6].

本発明の金属含有クラスター触媒は、二酸化炭素の還元反応に卓越した性能を発現する。   The metal-containing cluster catalyst of the present invention exhibits excellent performance in the reduction reaction of carbon dioxide.

図1は、電解装置1の構成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the electrolysis apparatus 1. 図2(a)は、電解セル3の構成を示す概略図であり、図2(b)は電解セル3aの構成を示す図である。FIG. 2A is a schematic diagram illustrating the configuration of the electrolytic cell 3, and FIG. 2B is a diagram illustrating the configuration of the electrolytic cell 3a. 図3は、本発明の比較例に係る銅多孔質体を有する電極を作製する際に用いた電極生成装置27を示す全体概略図である。FIG. 3 is an overall schematic diagram showing an electrode generating device 27 used when producing an electrode having a copper porous body according to a comparative example of the present invention. 図4は、実施例において、還元試験を行った際の還元試験装置50を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a reduction test apparatus 50 when a reduction test is performed in the embodiment. 図5は、図4の還元試験装置50の電解セル53部分(H部)を拡大して示す概略図である。FIG. 5 is an enlarged schematic view showing the electrolytic cell 53 portion (H portion) of the reduction test apparatus 50 of FIG.

本発明に従う金属含有クラスター触媒と、これを用いた二酸化炭素還元用電極および二酸化炭素還元装置の実施形態について、以下で詳細に説明する。   Embodiments of a metal-containing cluster catalyst according to the present invention, a carbon dioxide reduction electrode and a carbon dioxide reduction device using the same will be described in detail below.

本実施形態に係る金属含有クラスター触媒は、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、イリジウム(Ir)およびルテニウム(Ru)から選択される1種の金属原子(M)を含んでなるクラスターであることを特徴とする。なお、ここでいう「クラスター」とは、複数個の原子が結合した原子集団である。   The metal-containing cluster catalyst according to this embodiment includes gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), rhodium (Rh), palladium (Pd), nickel (Ni), and cobalt (Co). And a cluster containing one metal atom (M) selected from iron (Fe), manganese (Mn), chromium (Cr), iridium (Ir) and ruthenium (Ru). Here, the “cluster” is an atomic group in which a plurality of atoms are bonded.

このような金属含有クラスター触媒は、二酸化炭素の還元反応に卓越した性能を発現するため、二酸化炭素を還元するための触媒として好適に用いられる。   Such a metal-containing cluster catalyst is suitably used as a catalyst for reducing carbon dioxide because it exhibits excellent performance in the reduction reaction of carbon dioxide.

本実施形態に係るクラスターに含まれる金属原子(M)は、Au、Ag、Cu、Pt、Rh、Pd、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、IrおよびRuから選択される1種である。このようなクラスター(以下、「金属含有クラスター」という。)は、二酸化炭素の還元反応に卓越した性能を発揮する。中でも、金属原子(M)は、優れた還元性能の観点からCu、Ag、PdおよびAuから選択される1種であることが好ましく、特に、二酸化炭素の還元反応において選択的に炭化水素(メタンやエチレン等)を生成できる点で、Cuであることがより好ましい。   The metal atom (M) contained in the cluster according to this embodiment is one kind selected from Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Ir, and Ru. Such a cluster (hereinafter referred to as “metal-containing cluster”) exhibits excellent performance in the reduction reaction of carbon dioxide. Among them, the metal atom (M) is preferably one selected from Cu, Ag, Pd, and Au from the viewpoint of excellent reduction performance, and in particular, a hydrocarbon (methane) selectively in the reduction reaction of carbon dioxide. Cu is more preferable in that it can be produced.

また、金属含有クラスターは、上記のような金属原子(M)を含むものであれば特に限定されず、金属原子(M)の単体、金属原子(M)を含む合金、金属原子(M)を含む金属酸化物あるいは金属原子(M)を含む複合酸化物のいずれからなるクラスターであってもよい。なお、金属原子(M)を含む合金または複合酸化物は、Au、Ag、Cu、Pt、Rh、Pd、Ni、Co、Fe、Mn、Cr、IrおよびRuから選択される少なくとも1種の金属原子を含む合金または複合酸化物であればよく、上記から選択される2種以上の金属原子を含む合金または複合酸化物、あるいは金属原子(M)と合金化または複合化し得る上記以外の金属原子を含む合金または複合酸化物であってもよい。また、金属含有クラスターは、特に金属原子(M)を含む金属酸化物からなることが好ましい。   Further, the metal-containing cluster is not particularly limited as long as it contains the metal atom (M) as described above, and includes a simple substance of the metal atom (M), an alloy containing the metal atom (M), and a metal atom (M). It may be a cluster composed of any of a metal oxide containing or a composite oxide containing a metal atom (M). The alloy or composite oxide containing a metal atom (M) is at least one metal selected from Au, Ag, Cu, Pt, Rh, Pd, Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Ir, and Ru. Any alloy or composite oxide containing an atom may be used, and an alloy or composite oxide containing two or more metal atoms selected from the above, or any other metal atom that can be alloyed or compounded with the metal atom (M) It may be an alloy or composite oxide containing. Moreover, it is preferable that a metal containing cluster consists of a metal oxide containing a metal atom (M) especially.

また、金属含有クラスターは、下記一般式(1)で表される、金属原子(M)の単体または金属原子(M)を含む金属酸化物からなることが好ましい。
・・・(1)
上記(1)式において、Mは上述の金属原子(M)を、Oは酸素原子を表す。
また、nおよびmは、整数である。
Moreover, it is preferable that a metal containing cluster consists of a metal oxide containing the simple substance of a metal atom (M) or a metal atom (M) represented by following General formula (1).
M n O m (1)
In the above formula (1), M represents the above metal atom (M), and O represents an oxygen atom.
N and m are integers.

さらに上記(1)式において、nは30以下が好ましく、より好ましくは15以下である。また、nは6以上が好ましく、より好ましくは9以上である。上記範囲とすることにより、クラスターサイズの制御とともに、酸化度(価数)の制御を行うことができる。   Further, in the above formula (1), n is preferably 30 or less, more preferably 15 or less. Further, n is preferably 6 or more, more preferably 9 or more. By setting it as the said range, control of an oxidation degree (valence) can be performed with control of a cluster size.

また、上記(1)式において、mは、nとの関係で、m/nの比が0〜2であることが好ましく、より好ましくは0.5〜1.5、さらに好ましくは0.55〜0.75である。上記範囲とすることにより、クラスター特有の酸化度となることで、触媒性能が増大する。なお、上記(1)式において、m/nが0のとき、金属含有クラスターは、金属原子(M)の単体からなる。   In the above formula (1), m is preferably 0 to 2, and more preferably 0.5 to 1.5, and even more preferably 0.55, in relation to n. ~ 0.75. By setting it as the said range, catalyst performance increases because it becomes the oxidation degree peculiar to a cluster. In the above formula (1), when m / n is 0, the metal-containing cluster is composed of a single metal atom (M).

また、金属含有クラスターの一次粒径は、0.1〜3.0nmであることが好ましく、より好ましくは、0.5〜2.0nm、更に好ましくは0.6〜1.2nmである。上記範囲とすることにより、金属含有クラスターの粒子全体の表面積の増大とともに、クラスター特有の酸化度を得ることで、触媒性能が増大する。なお、一次粒径の測定は、質量分析法(MS)、透過型電子顕微鏡(TEM)や動的光散乱法(DLS)などによって行う。   Moreover, it is preferable that the primary particle size of a metal containing cluster is 0.1-3.0 nm, More preferably, it is 0.5-2.0 nm, More preferably, it is 0.6-1.2 nm. By setting it as the said range, a catalyst performance increases by obtaining the oxidation degree peculiar to a cluster with the increase in the surface area of the whole particle | grains of a metal containing cluster. The primary particle size is measured by mass spectrometry (MS), transmission electron microscope (TEM), dynamic light scattering method (DLS), or the like.

このような金属含有クラスターは、公知の方法によって、液相中または気相中で製造することができる。液相中で製造する方法としては、デンドリマーを用いる方法等が挙げられる。また、気相中で製造する方法としては、イオンスパッタリング法、プラズマ放電法、レーザー蒸発法(レーザーアブレーション)等が挙げられる。中でも、特殊な価数を有する金属原子(M)を含む金属含有クラスターを効率よく製造する観点からは、レーザーアブレーションまたはデンドリマーを用いる方法により製造することが好ましい。   Such metal-containing clusters can be produced in a liquid phase or a gas phase by a known method. Examples of the method for producing in the liquid phase include a method using a dendrimer. Examples of the method for producing in the gas phase include an ion sputtering method, a plasma discharge method, and a laser evaporation method (laser ablation). Especially, it is preferable to manufacture by the method using laser ablation or a dendrimer from a viewpoint of manufacturing efficiently a metal containing cluster containing the metal atom (M) which has a special valence.

ここで、レーザーアブレーションとは、強いレーザー光を固体表面に照射し、局所的に高温となった表面層が蒸発することで、クラスターが飛散する現象である。なお、レーザースパッタリングと言うこともある。なお、レーザーアブレーションを行う装置は、特に限定されず、公知の装置を用いて行うことができる。   Here, laser ablation is a phenomenon in which clusters are scattered by irradiating a solid laser surface with a strong laser beam and locally evaporating a surface layer that has become hot. In addition, it may be called laser sputtering. In addition, the apparatus which performs laser ablation is not specifically limited, It can carry out using a well-known apparatus.

また、デンドリマーを用いる方法は、特に限定されず、公知方法により用いて行うことができる。例えば、デンドリマーを含む溶液と、目的の金属含有クラスターに対応する金属化合物の溶液とを混合してデンドリマーの金属錯体を合成し、(1)水素化ホウ素ナトリウム等の還元剤を用いた還元や、電気化学的還元、光化学的還元等により、上記金属錯体を還元し、デンドリマー上で金属を析出させる方法や、(2)上記デンドリマー金属錯体を含む溶液を加熱して溶媒を除去し、デンドリマー上に金属またはその塩を析出させる方法などにより、金属クラスターを生成できる。なお、デンドリマーとしては、例えば、ポリアミドアミン(PAMAM)デンドリマーや、ポリプロピレンイミン(PPI)デンドリマー、フェニルアゾメチンデンドリマー(DPA)等が挙げられる。また、金属化合物としては、例えば、目的の金属含有クラスターに対応する金属の塩化物や、硝酸塩などが挙げられる。また、溶媒は、例えば水やアルコール等の公知の溶媒を用いることができる。   Moreover, the method using a dendrimer is not specifically limited, It can carry out by using a well-known method. For example, a solution containing a dendrimer and a solution of a metal compound corresponding to the target metal-containing cluster are mixed to synthesize a metal complex of a dendrimer. (1) Reduction using a reducing agent such as sodium borohydride, A method of reducing the metal complex by electrochemical reduction, photochemical reduction, etc. and precipitating the metal on the dendrimer, or (2) removing the solvent by heating the solution containing the dendrimer metal complex, A metal cluster can be generated by a method of depositing a metal or a salt thereof. Examples of the dendrimer include polyamidoamine (PAMAM) dendrimer, polypropyleneimine (PPI) dendrimer, phenylazomethine dendrimer (DPA), and the like. Examples of the metal compound include metal chlorides and nitrates corresponding to the target metal-containing cluster. Moreover, well-known solvents, such as water and alcohol, can be used for a solvent, for example.

さらに、上記のようにして得られた金属含有クラスターを、焼成することにより、金属含有クラスター内包の炭素材料が得られる。このような焼成は、高温(例えば400℃以上)で行う場合には、窒素や、アルゴンをはじめとする希ガス等の不活性ガス雰囲気下で、また、比較的低温(例えば200℃以上)で行う場合には、大気中で行うことができる。また、上記のような焼成の後、水素等の還元雰囲気下で、さらに熱処理することもできる。   Furthermore, by firing the metal-containing cluster obtained as described above, a carbon material containing the metal-containing cluster is obtained. When such baking is performed at a high temperature (for example, 400 ° C. or higher), it is performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen or a rare gas such as argon, and at a relatively low temperature (for example, 200 ° C. or higher). If done, it can be done in air. Further, after the baking as described above, a heat treatment can be further performed in a reducing atmosphere such as hydrogen.

また、本実施形態に係る金属含有クラスター触媒の使用形態は特に限定しないが、好ましくは担体に担持して複合体材料として用いることが好ましい。   Further, the usage form of the metal-containing cluster catalyst according to the present embodiment is not particularly limited, but it is preferably supported on a carrier and used as a composite material.

担体は、特に限定されず、例えば、カーボンや金属、半導体、セラミック、高分子などが挙げられる。担体は、複合材料の用途や使用環境等に応じて適宜選択すればよく、具体的には、複合材料を導電材料として使用する場合には、カーボンや金属を担体とすることが好ましく、複合材料を光触媒として使用する場合には、半導体を担体とすることが好ましい。   The carrier is not particularly limited, and examples thereof include carbon, metal, semiconductor, ceramic, and polymer. The carrier may be appropriately selected according to the use of the composite material or the usage environment. Specifically, when the composite material is used as a conductive material, it is preferable to use carbon or metal as the carrier. When is used as a photocatalyst, it is preferable to use a semiconductor as a carrier.

また、担体として用いる高分子としては、例えば、鎖状高分子や単一高分子等を好適に用いることができる。鎖状高分子としては、例えばポリビニルピロリドン(PVP)やポリエチレングリコール(PEG)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等が上げられ、単一高分子としては、例えばフェリチンや、チオラート、ホスフィン、アルキン等が挙げられる。   As the polymer used as the carrier, for example, a chain polymer or a single polymer can be suitably used. Examples of the chain polymer include polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyethylene glycol (PEG), and polyvinylidene fluoride (PVdF). Examples of the single polymer include ferritin, thiolate, phosphine, and alkyne. It is done.

また、本実施形態に係る金属含有クラスター触媒は、二酸化炭素還元用の電極の材料として好適に用いることができる。したがって、本実施形態に係る二酸化炭素還元用電極は、上記のような金属含有クラスター触媒を含むことが好ましい。電極の形成方法は特に限定されず、公知の方法により行うことができる。   Further, the metal-containing cluster catalyst according to the present embodiment can be suitably used as a material for an electrode for carbon dioxide reduction. Therefore, the carbon dioxide reduction electrode according to the present embodiment preferably includes the metal-containing cluster catalyst as described above. The formation method of an electrode is not specifically limited, It can carry out by a well-known method.

具体的には、たとえば、上記デンドリマーを使用した金属含有クラスター内包の炭素材料を溶媒に分散させ、これに結着剤と混合し、さらに必要に応じて導電材を混合して塗料化し、それを集電体やイオン交換膜等に直接塗布し、乾燥させることで、金属含有クラスター触媒を含む電極を作製することができる。   Specifically, for example, the carbon material of the metal-containing cluster containing the above-mentioned dendrimer is dispersed in a solvent, mixed with a binder, and further mixed with a conductive material as necessary to form a paint. An electrode containing a metal-containing cluster catalyst can be produced by directly applying to a current collector, an ion exchange membrane or the like and drying.

なお、結着剤は、特に限定されないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC)とスチレンブタジエンコポリマー(SBR)の混合物、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等が挙げられる。   The binder is not particularly limited, and examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVdF), a mixture of sodium carboxymethyl cellulose (CMC) and styrene butadiene copolymer (SBR), and polytetrafluoroethylene (PTFE).

このような本発明に係る金属含有クラスター触媒を含む電極は、後述する二酸化炭素還元装置のカソード電極として好適に用いることができる。   Such an electrode including the metal-containing cluster catalyst according to the present invention can be suitably used as a cathode electrode of a carbon dioxide reduction device described later.

本実施形態に係る二酸化炭素還元装置は、上記のような二酸化炭素還元用電極を備えることが好ましい。装置の形成方法は特に限定されず、公知の方法により行うことができる。   The carbon dioxide reduction device according to the present embodiment preferably includes the carbon dioxide reduction electrode as described above. The method for forming the device is not particularly limited, and can be performed by a known method.

以下、本実施形態に係る二酸化炭素還元装置の一例として、図1に示す電解装置1について説明する。図1において、電解装置1は、主に、電解セル3、ガス回収装置5、電解液循環装置7、二酸化炭素供給部9、電源11等で構成されている。なお、本実施形態に係る二酸化炭素還元装置は、図1の構成に限定されないことはいうまでもなく、必要に応じて適宜変更して用いることができる。   Hereinafter, the electrolysis apparatus 1 shown in FIG. 1 will be described as an example of the carbon dioxide reduction apparatus according to the present embodiment. In FIG. 1, the electrolyzer 1 is mainly composed of an electrolysis cell 3, a gas recovery device 5, an electrolyte solution circulation device 7, a carbon dioxide supply unit 9, a power source 11, and the like. In addition, it cannot be overemphasized that the carbon dioxide reducing apparatus which concerns on this embodiment is not limited to the structure of FIG. 1, It can change suitably as needed and can be used.

電解セル3は、対象物質を還元する部位であり、本実施形態においては、特に二酸化炭素(溶液において、炭酸イオンまたは炭酸塩である場合も含む。以下、単に二酸化炭素等とする。)を還元する部位である。電解セル3には、電源11から電力が供給される。なお、電解セル3の詳細については後述する。   The electrolysis cell 3 is a part that reduces the target substance. In the present embodiment, particularly, carbon dioxide (including a case where the solution is carbonate ion or carbonate. Hereinafter, simply referred to as carbon dioxide or the like) is reduced. It is a part to do. Electric power is supplied to the electrolysis cell 3 from the power supply 11. The details of the electrolytic cell 3 will be described later.

電解液循環装置7は、電解セル3のカソード電極に対して、カソード側電解液を循環させる部位である。   The electrolytic solution circulation device 7 is a part that circulates the cathode side electrolytic solution with respect to the cathode electrode of the electrolytic cell 3.

二酸化炭素供給部9は、例えば二酸化炭素を貯留するタンク等であり、二酸化炭素を保持するとともに、所定量の二酸化炭素を電解液循環装置7に供給可能である。なお、二酸化炭素に代えて、すでに炭酸イオン、炭酸塩等の形態とされた溶液を保持し、所定の量を電解液循環装置7に供給することもできる。   The carbon dioxide supply unit 9 is, for example, a tank that stores carbon dioxide, and can hold carbon dioxide and supply a predetermined amount of carbon dioxide to the electrolyte circulation device 7. Instead of carbon dioxide, a solution already in the form of carbonate ions, carbonates, or the like can be held and a predetermined amount can be supplied to the electrolyte circulation device 7.

ガス回収装置5は、電解セル3によって還元されて発生したガスを回収する部位である。ガス回収装置5では、電解セル3のカソード電極で発生する炭化水素等のガスを捕集することが可能である。なお、ガス回収装置5において、ガス種類毎にガスを分離可能としてもよい。   The gas recovery device 5 is a part that recovers the gas generated by reduction by the electrolytic cell 3. In the gas recovery device 5, it is possible to collect gas such as hydrocarbons generated at the cathode electrode of the electrolysis cell 3. In the gas recovery device 5, the gas may be separable for each gas type.

電解装置は、以下のように機能する。前述の通り、電解セルには電源からの電解電位が付与される。電解セルのカソード電極には、電解液循環装置によって電解液が供給される。電解セルのカソード電極においては、供給される電解液中の二酸化炭素等が還元される。二酸化炭素等が還元されると、主にエタンやエチレン等の炭化水素が生成される。   The electrolyzer functions as follows. As described above, an electrolytic potential from a power source is applied to the electrolytic cell. The electrolytic solution is supplied to the cathode electrode of the electrolytic cell by the electrolytic solution circulation device. At the cathode electrode of the electrolytic cell, carbon dioxide or the like in the supplied electrolyte is reduced. When carbon dioxide and the like are reduced, hydrocarbons such as ethane and ethylene are mainly produced.

カソード電極で生成された炭化水素ガスは、ガス回収装置により回収される。ガス回収装置では、必要に応じてガスを分離し貯留することが可能である。   The hydrocarbon gas generated at the cathode electrode is recovered by a gas recovery device. In the gas recovery apparatus, it is possible to separate and store the gas as necessary.

カソード電極で二酸化炭素等が還元されて消費されることで、電解液中の二酸化炭素等の濃度が減少する。還元反応によって減少した二酸化炭素等は常に補充され、その濃度は常に所定範囲内に保たれる。具体的は、電解液の一部が電解液循環装置により回収されて、所定濃度の電解液が常に供給される。以上により、電解セル3において、常に一定の条件で炭化水素を生成することができる。   By reducing and consuming carbon dioxide and the like at the cathode electrode, the concentration of carbon dioxide and the like in the electrolyte decreases. Carbon dioxide or the like that has been reduced by the reduction reaction is always replenished, and its concentration is always kept within a predetermined range. Specifically, a part of the electrolytic solution is recovered by an electrolytic solution circulation device, and an electrolytic solution having a predetermined concentration is always supplied. As described above, in the electrolytic cell 3, hydrocarbons can always be generated under a certain condition.

次に、電解セル3について詳細を説明する。図2(a)は、電解セル3の構成の一例を示す図である。電解セル3は、主に、カソード槽である槽16a、金属メッシュ17、カソード電極19、イオン交換膜21、電解質23、アノード電極25、アノード槽である槽16b等から構成される。なお、本実施形態に係る二酸化炭素還元装置の電気セルは、図2(a)の構成に限定されないことはいうまでもなく、必要に応じて適宜構成を変更して用いることができる。   Next, details of the electrolytic cell 3 will be described. FIG. 2A is a diagram illustrating an example of the configuration of the electrolytic cell 3. The electrolytic cell 3 mainly includes a tank 16a that is a cathode tank, a metal mesh 17, a cathode electrode 19, an ion exchange membrane 21, an electrolyte 23, an anode electrode 25, a tank 16b that is an anode tank, and the like. In addition, it cannot be overemphasized that the electric cell of the carbon dioxide reduction apparatus which concerns on this embodiment is not limited to the structure of Fig.2 (a), A structure can be changed suitably and used as needed.

カソード槽16a、アノード槽16bには、それぞれ電解液15a、15bが保持される。カソード電極側の槽16aの上部には、生成ガスを回収するための孔が形成され、図示を省略したガス回収装置に接続される。すなわち、カソード電極で生成されるガスは、当該孔から回収される。また、カソード槽16aには、配管等が接続され、図示を省略した電解液循環装置7と接続される。すなわち、カソード槽16a内の電解液15aは常に電解液循環装置7によって循環可能である。なお、必要に応じて、アノード槽15b側の電解液も同様に循環可能としてもよい。   Electrolytes 15a and 15b are held in the cathode tank 16a and the anode tank 16b, respectively. In the upper part of the tank 16a on the cathode electrode side, a hole for recovering the generated gas is formed and connected to a gas recovery device (not shown). That is, the gas generated at the cathode electrode is recovered from the hole. Moreover, piping etc. are connected to the cathode tank 16a, and it connects with the electrolyte solution circulation apparatus 7 which abbreviate | omitted illustration. That is, the electrolytic solution 15a in the cathode tank 16a can always be circulated by the electrolytic solution circulation device 7. If necessary, the electrolytic solution on the anode tank 15b side may be circulated similarly.

カソード電解液である電解液15aとしては、二酸化炭素等を多量に溶解できる電解液であることが好ましく、例えば、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等のアルカリ性溶液、モノメタノールアミン、メチルアミン、その他液状のアミン、またはそれら液状のアミンと電解質水溶液の混合液などが用いられる。また。アセトニトリル、ベンゾニトリル、塩化メチレン、テトラヒドロフラン、炭酸プロピレン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メタノール、エタノール等を用いることができる。   The electrolytic solution 15a that is a cathode electrolytic solution is preferably an electrolytic solution that can dissolve a large amount of carbon dioxide or the like. For example, an alkaline solution such as a sodium hydroxide aqueous solution or a potassium hydroxide aqueous solution, monomethanolamine, methylamine, In addition, a liquid amine or a mixture of the liquid amine and an aqueous electrolyte solution is used. Also. Acetonitrile, benzonitrile, methylene chloride, tetrahydrofuran, propylene carbonate, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methanol, ethanol and the like can be used.

ここで、電解質水溶液としては特に制限されないが、例えば、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、炭酸カリウム水溶液などを用いることができる。   Here, the aqueous electrolyte solution is not particularly limited, and for example, an aqueous potassium chloride solution, an aqueous sodium chloride solution, an aqueous sodium hydroxide solution, an aqueous potassium hydroxide solution, an aqueous sodium hydrogen carbonate solution, an aqueous potassium carbonate solution, or the like can be used.

また、アノード電解液である電解液15bとしては特に制限はないが、例えば、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、炭酸水素カリウム水溶液などを用いることができる。   Moreover, there is no restriction | limiting in particular as the electrolyte solution 15b which is an anode electrolyte solution, For example, potassium chloride aqueous solution, sodium chloride aqueous solution, sodium hydrogencarbonate aqueous solution, potassium hydrogencarbonate aqueous solution etc. can be used.

金属メッシュ17は、電源の負極側に接続され、カソード電極19に対して通電するための部材である。金属メッシュ17としては、例えば銅製のメッシュやステンレス製のメッシュであり、例えばステンレス SUS304 400mesh(厚さ 25μm、株式会社ニラコ製)が使用できる。   The metal mesh 17 is a member that is connected to the negative electrode side of the power source and energizes the cathode electrode 19. The metal mesh 17 is, for example, a copper mesh or a stainless steel mesh. For example, stainless steel SUS304 400 mesh (thickness 25 μm, manufactured by Nilaco Corporation) can be used.

イオン交換膜21としては特に制限はないが、例えば、炭化水素系、パーフルオロカーボン系などを用いることがでる。特に望ましくは、陰イオン交換膜であり、ナフィオン膜やポリフッ化ビニリデン(PVDF)膜等を用いることができ、例えば、旭硝子株式会社製の「セレミオン(登録商標)AMV」を用いることができる。イオン交換膜21は、後述するカソード電極19を製造する際に用いられ、カソード電極19を構成する金属含有クラスター触媒の担持部材としての機能を奏する。また、担持部材としてイオン交換膜を用いれば、後述する電解時の還元部の構成が容易となる。   Although there is no restriction | limiting in particular as the ion exchange membrane 21, For example, a hydrocarbon type | system | group, a perfluorocarbon type | system | group, etc. can be used. An anion exchange membrane is particularly desirable, and a Nafion membrane, a polyvinylidene fluoride (PVDF) membrane, or the like can be used. For example, “Selemion (registered trademark) AMV” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. can be used. The ion exchange membrane 21 is used when manufacturing the cathode electrode 19 described later, and functions as a support member for the metal-containing cluster catalyst that constitutes the cathode electrode 19. In addition, if an ion exchange membrane is used as the supporting member, the configuration of the reducing portion during electrolysis described later becomes easy.

電解質23は、必要に応じて設けられる。イオン交換膜21と後述するアノード電極25との間に介在する電解質23としては、特に制限はないが、ポリフッ化ビニリデン、ポリアクリル酸、ポリエチレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリメチルメタクリレートのような高分子電解質や、塩化カリウム水溶液、塩化ナトリウム水溶液などを用いることができる。   The electrolyte 23 is provided as necessary. The electrolyte 23 interposed between the ion exchange membrane 21 and an anode electrode 25 described later is not particularly limited, but is a polymer electrolyte such as polyvinylidene fluoride, polyacrylic acid, polyethylene oxide, polyacrylonitrile, polymethyl methacrylate. Alternatively, an aqueous potassium chloride solution, an aqueous sodium chloride solution, or the like can be used.

アノード電極25は電源の正極に接続される。アノード電極25としては特に制限はないが、例えば、チタン、白金、白金コートしたチタン(Ti/Pt)、ステンレス、銅、炭素等を用いることができる。特に、劣化が少ない点からTi/Ptが好ましい。形状としては、特に制限はなく、板状やパンチングメタル、メッシュ状、不織布状のものが用いることができるが、電解セルの厚みを薄くする観点、および電解セルの形状が湾曲状であっても用いることができる観点から不織布状が好ましい。   The anode electrode 25 is connected to the positive electrode of the power source. Although there is no restriction | limiting in particular as the anode electrode 25, For example, titanium, platinum, titanium (Ti / Pt) which carried out platinum coating, stainless steel, copper, carbon, etc. can be used. In particular, Ti / Pt is preferable from the viewpoint of little deterioration. The shape is not particularly limited and can be a plate shape, punched metal, mesh shape, or non-woven shape, but the viewpoint of reducing the thickness of the electrolysis cell and the shape of the electrolysis cell may be curved. From the viewpoint that it can be used, a nonwoven fabric is preferable.

カソード電極19には、本発明に係る金属含有クラスター触媒を含む電極が用いられる。本発明に係る金属含有クラスター触媒を含む電極を、カソード電極19として用いることにより、二酸化炭素の還元量を増加できると共に、二酸化炭素の還元反応を選択的に制御でき、選択性の面でも還元効率を向上できる。   As the cathode electrode 19, an electrode including the metal-containing cluster catalyst according to the present invention is used. By using the electrode containing the metal-containing cluster catalyst according to the present invention as the cathode electrode 19, the reduction amount of carbon dioxide can be increased, the reduction reaction of carbon dioxide can be selectively controlled, and the reduction efficiency in terms of selectivity. Can be improved.

ここで、本実施形態に係る電解セルとしては、図2(b)に示すような電解セル3aを用いることもできる。電解セル3aは、電解セル3と略同様の構成であるが、板状の各要素が積層される電解セル3に対して、各要素が略同心円上に中心から径方向の外周に順次配列される。なお、電解セル3aを構成するそれぞれの要素は、電解セル3を構成する要素と同様であるため重複する説明を省略する。   Here, as the electrolysis cell according to the present embodiment, an electrolysis cell 3a as shown in FIG. 2B can also be used. The electrolysis cell 3a has substantially the same configuration as the electrolysis cell 3, but the elements are sequentially arranged from the center to the outer periphery in the radial direction on a substantially concentric circle with respect to the electrolysis cell 3 in which the plate-like elements are stacked. The In addition, since each element which comprises the electrolytic cell 3a is the same as the element which comprises the electrolytic cell 3, the overlapping description is abbreviate | omitted.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本発明の範囲内で種々に改変することができる。   As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, All the aspects included in the concept of this invention and a claim are included, and various within the scope of this invention. Can be modified.

次に、本発明の効果をさらに明確にするために、実施例および比較例について説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   Next, in order to further clarify the effects of the present invention, examples and comparative examples will be described, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
まず、フェニルアゾメチンデンドリマーのクロロホルム溶液と、デンドリマーに対し12モル当量の塩化銅のアセトン溶液とを混合することで、フェニルアゾメチンデンドリマー銅錯体を合成した。次いで、この溶液に、過剰量の水素化ホウ素ナトリウムを添加して、フェニルアゾメチンデンドリマー銅錯体を還元し、フェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターを合成した。また、合成したフェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターを窒素雰囲気下で焼成することによって、銅含有クラスターを内包した炭素材料を合成した。
Example 1
First, a phenyl azomethine dendrimer copper complex was synthesized by mixing a chloroform solution of phenyl azomethine dendrimer and an acetone solution of 12 molar equivalents of copper chloride with respect to the dendrimer. Next, an excess amount of sodium borohydride was added to this solution to reduce the phenylazomethine dendrimer copper complex, thereby synthesizing a phenylazomethine dendrimer copper cluster. Moreover, the carbon material which included the copper containing cluster was synthesize | combined by baking the synthesized phenyl azomethine dendrimer copper cluster in nitrogen atmosphere.

さらに、得られた銅含有クラスターを内包した炭素材料を、N−メチル−2−ピロリドン(N−methylpyrrolidone、NMP)に分散し、この分散液に結着剤としてポリフッ化ビニリデン(PVDF)を加えて混合して塗料化し、これをイオン交換膜上に塗布して乾燥させ、銅含有クラスター触媒を含む電極を作製した。   Further, the obtained carbon material containing the copper-containing cluster was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and polyvinylidene fluoride (PVDF) was added as a binder to this dispersion. The mixture was made into a paint, applied onto an ion exchange membrane and dried to produce an electrode containing a copper-containing cluster catalyst.

(実施例2)
実施例2は、フェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターの焼成雰囲気を、窒素雰囲気に替えて大気雰囲気とし、焼成温度を実施例1より低温とした以外は、実施例1と同様の方法で、銅含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銅含有クラスター触媒を含む電極を作製した。
(Example 2)
In Example 2, the firing atmosphere of the phenylazomethine dendrimer copper cluster was changed to the air atmosphere instead of the nitrogen atmosphere, and the copper-containing cluster was formed in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was lower than that in Example 1. An electrode including an encapsulated carbon material and a copper-containing cluster catalyst using the carbon material was produced.

(実施例3)
実施例3は、フェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターの焼成温度を、実施例1より低温とした以外は、実施例1と同様の方法で、銅含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銅含有クラスター触媒を含む電極を作製した。
(Example 3)
Example 3 is a carbon material containing a copper-containing cluster in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature of the phenylazomethine dendrimer copper cluster is lower than that of Example 1, and a copper-containing material using this carbon material. An electrode containing a cluster catalyst was prepared.

(実施例4)
実施例4は、フェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターを、窒素雰囲気での焼成後に、水素雰囲気でさらに焼成した以外は、実施例1と同様の方法で、銅含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銅含有クラスター触媒を含む電極を作製した。
Example 4
Example 4 uses a carbon material containing a copper-containing cluster in the same manner as in Example 1 except that a phenylazomethine dendrimer copper cluster is further fired in a hydrogen atmosphere after firing in a nitrogen atmosphere, and a carbon material containing the copper-containing cluster is used. An electrode containing a copper-containing cluster catalyst was prepared.

(実施例5)
実施例5は、フェニルアゾメチンデンドリマーのクロロホルム溶液と、デンドリマーに対し12モル当量の硝酸銀のアセトン溶液とを混合することで、フェニルアゾメチンデンドリマー銀錯体を合成したこと以外は、実施例1と同様の方法で、銀含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銀含有クラスター触媒を含む電極を作製した。
(Example 5)
Example 5 is the same method as Example 1 except that a phenylazomethine dendrimer silver complex was synthesized by mixing a chloroform solution of phenylazomethine dendrimer with an acetone solution of 12 molar equivalents of silver nitrate with respect to the dendrimer. Thus, an electrode including a carbon material containing silver-containing clusters and a silver-containing cluster catalyst using the carbon material was produced.

(比較例1)
比較例1では、以下に示す方法により、無電解メッキ法によってイオン交換膜上に銅を析出させ、析出した銅粒子が集合した銅多孔質体を有する電極を得た。
まず、図3に示す電極製造装置27の槽29aには、5mmol/Lの酢酸銅水溶液30mLを入れ、槽29bには12質量%水酸化ホウ素ナトリウム溶液(14mol/LのNaOH、Aldrich社製)142μLおよび蒸留水29.858mLの混合溶液を入れた。このような構成の電極製造装置27を室温で1時間静置し、無電解メッキ法によってイオン交換膜21上に銅を析出させ、銅多孔質体を有する電極を得た。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, copper was deposited on the ion exchange membrane by an electroless plating method by the method shown below, and an electrode having a copper porous body in which the deposited copper particles were collected was obtained.
First, 30 mL of a 5 mmol / L aqueous copper acetate solution is placed in the tank 29a of the electrode manufacturing apparatus 27 shown in FIG. 3, and a 12% by mass sodium borohydride solution (14 mol / L NaOH, manufactured by Aldrich) is stored in the tank 29b. A mixed solution of 142 μL and 29.858 mL of distilled water was added. The electrode manufacturing apparatus 27 having such a configuration was allowed to stand at room temperature for 1 hour, and copper was deposited on the ion exchange membrane 21 by an electroless plating method to obtain an electrode having a copper porous body.

(比較例2)
比較例2は、比較例1で作製した電極を大気雰囲気にて焼成したこと以外は、比較例1と同様の方法で、銅多孔質体を有する電極を得た。
(Comparative Example 2)
The comparative example 2 obtained the electrode which has a copper porous body by the method similar to the comparative example 1 except having baked the electrode produced by the comparative example 1 in air | atmosphere atmosphere.

(比較例3)
比較例3は、比較例1で作製した電極を窒素雰囲気にて焼成したこと以外は、比較例1と同様の方法で、銅多孔質体を有する電極を得た。
(Comparative Example 3)
The comparative example 3 obtained the electrode which has a copper porous body by the method similar to the comparative example 1 except having baked the electrode produced by the comparative example 1 in nitrogen atmosphere.

(比較例4)
比較例4は、比較例1の5mmol/Lの酢酸銅水溶液30mLを、5mmol/Lの硝酸銀水溶液30mLに変更し、銀多孔体を有する電極を作製した以外は、比較例1と同様の方法を行った。
(Comparative Example 4)
Comparative Example 4 was the same as Comparative Example 1 except that 30 mL of the 5 mmol / L aqueous copper acetate solution of Comparative Example 1 was changed to 30 mL of a 5 mmol / L aqueous silver nitrate solution to produce an electrode having a silver porous body. went.

[評価]
上記実施例および比較例に係る触媒について、下記に示す特性評価を行った。各特性の評価条件は下記の通りである。結果を表1に示す。
[Evaluation]
For the catalysts according to the above Examples and Comparative Examples, the following characteristic evaluation was performed. The evaluation conditions for each characteristic are as follows. The results are shown in Table 1.

[1]組成および金属(M)の価数
触媒を構成する上記金属含有クラスターおよび金属含有多孔質体について、誘導結合プラズマ試料分析法、X線光電子分光を用いて組成分析および価数の評価を行った。
また、分析用サンプルは、実施例1〜5は電極作製前の銅含有クラスターを含む炭素材料とし、比較例1〜4はイオン交換膜上の多孔体部を削り取って分離した金属材料とした。
[1] Composition and valence of metal (M) About the metal-containing cluster and metal-containing porous body constituting the catalyst, composition analysis and valence evaluation are performed using inductively coupled plasma sample analysis and X-ray photoelectron spectroscopy. went.
Moreover, the samples for an analysis used Examples 1-5 as the carbon material containing the copper containing cluster before electrode preparation, and Comparative Examples 1-4 used the metal material which scraped off and separated the porous body part on an ion exchange membrane.

[2]一次粒径
実施例1〜5は電極作製前の金属含有クラスターを含む炭素材料について、また、比較例1〜4はイオン交換膜上から、採取した金属含有多孔質体について、透過型電子顕微鏡(TEM、日本電子株式会社製)を用いて、一次粒子(他の粒子と凝集していない、単独の粒子)の輪郭が明確に認識できる倍率で、それぞれの粒子を撮影し、各実施例および比較例毎に、次の解析を行った。まず、撮影された画像から、無作為に100個の粒子(一次粒子)を選択し、画像処理装置により、粒子毎の投影面積を求め、それらの合計から粒子の合計の占有面積を算出した。この合計の占有面積を、選択した粒子の個数(100個)で割って、1粒子あたりの平均占有面積を算出し、この面積に相当する円の直径(1粒子あたりの平均円相当直径)を、一次粒径とした。
[2] Primary particle size Examples 1 to 5 are transmission types for carbon materials containing metal-containing clusters before electrode preparation, and Comparative Examples 1 to 4 are transmission types for metal-containing porous bodies collected from the ion exchange membrane. Using an electron microscope (TEM, manufactured by JEOL Ltd.), each particle was photographed at a magnification at which the contours of primary particles (single particles not agglomerated with other particles) can be clearly recognized. The following analysis was performed for each example and comparative example. First, 100 particles (primary particles) were randomly selected from the photographed image, the projected area for each particle was obtained by an image processing apparatus, and the total occupied area of the particles was calculated from the total of them. Divide this total occupied area by the number of selected particles (100) to calculate the average occupied area per particle, and calculate the diameter of the circle corresponding to this area (average equivalent circle diameter per particle). The primary particle size was used.

[3]還元試験;ガス濃度および電流効率
還元試験は、図4に示す炭酸ガスの還元試験装置50を用いて行った。ここで、上記実施例および比較例に係る電極は、カソード電極69aとして用いられた。なお、図5は、電解セル53を示す図で、図4のH部拡大図である。還元試験装置50は主に、第1槽51a、第2槽51b、電解セル53、電源55、分析管59、供給管61等から構成される。
[3] Reduction Test; Gas Concentration and Current Efficiency The reduction test was performed using a carbon dioxide reduction test apparatus 50 shown in FIG. Here, the electrodes according to Examples and Comparative Examples were used as the cathode electrode 69a. FIG. 5 is a diagram showing the electrolysis cell 53, and is an enlarged view of a portion H in FIG. The reduction test apparatus 50 mainly includes a first tank 51a, a second tank 51b, an electrolytic cell 53, a power source 55, an analysis tube 59, a supply tube 61, and the like.

二つの槽51a、51bは電解セル53により仕切られる。第1槽51a、第2槽51bには、それぞれ、炭酸水素ナトリウム57が入れられる。炭酸水素ナトリウム溶液57としては、50mmol/L炭酸水素ナトリウム溶液を用い、各槽に30mLの溶液を用いた。第1槽51a側は、上部を蓋で密封され、蓋を貫通するように供給管61および分析管59が設けられる。供給管61は図示を省略した二酸化炭素の供給源と接続されており、端部が、炭酸水素ナトリウム溶液57に浸漬される。供給管61の端部は、第1槽51aの下底部近傍まで延設される。第1槽51a内の炭酸水素ナトリウム溶液57は、供給管61からの二酸化炭素の供給により、常に撹拌され、その濃度は、略一定に保たれる。したがって、第1槽51a内の炭酸水素ナトリウム溶液57を循環するものと同一の効果を得ることができる。   The two tanks 51 a and 51 b are partitioned by the electrolytic cell 53. Sodium hydrogen carbonate 57 is placed in each of the first tank 51a and the second tank 51b. As the sodium hydrogen carbonate solution 57, a 50 mmol / L sodium hydrogen carbonate solution was used, and 30 mL of solution was used in each tank. On the first tank 51a side, the upper part is sealed with a lid, and a supply pipe 61 and an analysis pipe 59 are provided so as to penetrate the lid. The supply pipe 61 is connected to a carbon dioxide supply source (not shown), and the end thereof is immersed in the sodium hydrogen carbonate solution 57. The end portion of the supply pipe 61 extends to the vicinity of the lower bottom portion of the first tank 51a. The sodium hydrogen carbonate solution 57 in the first tank 51a is constantly stirred by the supply of carbon dioxide from the supply pipe 61, and the concentration thereof is kept substantially constant. Therefore, the same effect as circulating the sodium hydrogen carbonate solution 57 in the first tank 51a can be obtained.

分析管59の端部は、蓋部を貫通し、炭酸水素ナトリウム溶液57には接することなく、蓋部と溶液水面との間の気体部に配置される。すなわち、分析管59は発生したガス等を収集することができる。なお、分析管59は、図示を省略したガス分析装置に接続され、収集されたガスは分析装置に導出される。   The end of the analysis tube 59 passes through the lid, and is disposed in the gas portion between the lid and the solution water surface without contacting the sodium hydrogen carbonate solution 57. That is, the analysis tube 59 can collect the generated gas and the like. The analysis tube 59 is connected to a gas analyzer (not shown), and the collected gas is led to the analyzer.

図5に示すように、電解セル53は、イオン交換膜65上にカソード電極である銅含有クラスター触媒63(これは、実施例の電極の場合である。比較例の電極場合には、銅多孔質体63である。以下において同じ。)が形成されており、銅含有クラスター触媒63を挟み込むように、金属メッシュ73が設けられる。すなわち、第1槽51a側から順に、金属メッシュ、銅含有クラスター触媒、イオン交換膜と配置され、カソード電極69a、アノード電極69bで挟み込まれる。さらにカソード電極69a、アノード電極69bの外側からシール部材71で挟み込まれ、図示を省略したクランプ等で固定される。   As shown in FIG. 5, the electrolytic cell 53 includes a copper-containing cluster catalyst 63 that is a cathode electrode on an ion exchange membrane 65 (this is the case of the electrode of the example. In the case of the electrode of the comparative example, the copper porous The metal mesh 73 is formed so as to sandwich the copper-containing cluster catalyst 63 therebetween. That is, the metal mesh, the copper-containing cluster catalyst, and the ion exchange membrane are arranged in this order from the first tank 51a side, and are sandwiched between the cathode electrode 69a and the anode electrode 69b. Further, it is sandwiched between the cathode electrode 69a and the anode electrode 69b from the outside with the seal member 71, and fixed with a clamp or the like (not shown).

ここで、シール部材71としては、ゴムパッキンを用いた。カソード電極69aは金属メッシュ73に通電する部材であり、リング状のTi/Pt電極を用いた。金属メッシュ73は、銅メッシュであり銅含有クラスター触媒63と電気的に接触するとともに、自らもカソードとして機能する。なお、銅メッシュは「銅 100mesh金網」(厚さ0.11mm、株式会社ニラコ製)を用いた。銅含有クラスター触媒63は、上記実施例(または比較例)で作製された電極である。イオン交換膜65としては、旭硝子株式会社製の「セレミオン(登録商標)AMV」を用いた。   Here, a rubber packing was used as the seal member 71. The cathode electrode 69a is a member for energizing the metal mesh 73, and a ring-shaped Ti / Pt electrode was used. The metal mesh 73 is a copper mesh and is in electrical contact with the copper-containing cluster catalyst 63 and also functions as a cathode. The copper mesh used was “copper 100 mesh wire mesh” (thickness 0.11 mm, manufactured by Nilaco Corporation). The copper-containing cluster catalyst 63 is an electrode produced in the above example (or comparative example). As the ion exchange membrane 65, “Celemion (registered trademark) AMV” manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. was used.

アノード電極69bは、アノード電極である金属性不織布67を保持して、金属性不織布67と電気的に接触するリング状のTi/Pt電極を用いた。なお、金属製不織布67は、Pt製の不織布を用いた。すなわち、リング状のアノード電極69bのリング内に、金属不織布67が保持される。   As the anode electrode 69 b, a ring-shaped Ti / Pt electrode that holds the metallic nonwoven fabric 67 that is an anode electrode and is in electrical contact with the metallic nonwoven fabric 67 is used. The metal nonwoven fabric 67 was a Pt nonwoven fabric. That is, the metal nonwoven fabric 67 is held in the ring of the ring-shaped anode electrode 69b.

図4に示すように、カソード電極69a、アノード電極69bは、電源55に接続される。還元試験においては、カソード電極69aをカソードとし、アノード電極69b側をアノードとして、電流値2mA、電圧2.8Vで60分の電気分解を行った。   As shown in FIG. 4, the cathode electrode 69 a and the anode electrode 69 b are connected to a power supply 55. In the reduction test, electrolysis was performed for 60 minutes at a current value of 2 mA and a voltage of 2.8 V using the cathode electrode 69a as a cathode and the anode electrode 69b side as an anode.

この際、金属メッシュ73および銅含有クラスター触媒63側(イオン交換膜65とは逆側)の槽69a内に、供給管61より、二酸化炭素ガスを10mL/分でバブリングした(図中矢印F方向)。また、カソードより発生したガスを分析管59により収集し(図中矢印G方向)、ガスクロマトグラフィーで分析を行った。カラムは、SUPELCO CARBOXEN 1010PLOT 30m×032mmlDを用い、検出機はFIDを用いた。   At this time, carbon dioxide gas was bubbled from the supply pipe 61 at a rate of 10 mL / min into the tank 69a on the metal mesh 73 and copper-containing cluster catalyst 63 side (the opposite side to the ion exchange membrane 65) (in the direction of arrow F in the figure). ). The gas generated from the cathode was collected by the analysis tube 59 (in the direction of arrow G in the figure) and analyzed by gas chromatography. SUPELCO CARBOXEN 1010PLOT 30m × 032mmlD was used as a column, and FID was used as a detector.

カソード電極における反応としては、以下に示したメタン、エチレン、エタンの生成について注目した。
CO+8H+8e → CH+2H
CO+12H+12e → C+4H
CO+14H+14e → C+4H
As the reaction at the cathode electrode, we focused on the generation of methane, ethylene and ethane as shown below.
CO 2 + 8H + + 8e → CH 4 + 2H 2 O
CO 2 + 12H + + 12e → C 2 H 4 + 4H 2 O
CO 2 + 14H + + 14e → C 2 H 6 + 4H 2 O

アノード電極における反応は、以下の通りである。
2HO → 4H+4e+O
The reaction at the anode electrode is as follows.
2H 2 O → 4H + + 4e + O 2

さらに、得られた生成物のガス量と、入力した電流に基づき、電流効率(ファラデー効率)を算出した。   Furthermore, current efficiency (Faraday efficiency) was calculated based on the gas amount of the obtained product and the input current.

Figure 2017169682
Figure 2017169682

表1に示されるように、金属含有クラスター触媒(実施例1〜5)は、多孔質体の触媒(比較例1〜4)と比較して、触媒活性に優れていることが確認された。   As shown in Table 1, it was confirmed that the metal-containing cluster catalysts (Examples 1 to 5) were excellent in catalytic activity as compared with the porous catalyst (Comparative Examples 1 to 4).

具体的には、実施例1〜4に係る銅含有クラスター触媒は、同じく銅を用いた比較例1〜3に係る多孔質体の触媒に比べて、二酸化炭素の還元による生成物量が多く、触媒活性に優れていることが確認された。   Specifically, the copper-containing cluster catalyst according to Examples 1 to 4 has a larger amount of product due to the reduction of carbon dioxide than the catalyst of the porous body according to Comparative Examples 1 to 3 that also uses copper. It was confirmed that the activity was excellent.

また、実施例5に係る銀含有クラスター触媒は、同じく銀を用いた比較例4に係る多孔質体の触媒に比べて、二酸化炭素の還元による生成物量が多く、触媒活性に優れていることが確認された。   Further, the silver-containing cluster catalyst according to Example 5 has a large amount of product due to reduction of carbon dioxide and is excellent in catalytic activity as compared with the porous catalyst according to Comparative Example 4 which also uses silver. confirmed.

また、銅含有クラスター触媒(実施例1〜4)は、銀含有クラスター触媒(実施例5)に比べて、二酸化炭素の還元反応による炭化水素(メタン、エチレン、エタン)の生成量が多く、炭化水素の選択性に優れていることが確認された。   Further, the copper-containing cluster catalyst (Examples 1 to 4) has a larger amount of hydrocarbons (methane, ethylene, ethane) produced by the reduction reaction of carbon dioxide than the silver-containing cluster catalyst (Example 5). It was confirmed that the hydrogen selectivity was excellent.

(実施例6〜27)
実施例6〜27は、フェニルアゾメチンデンドリマーの世代数、原料の当量、およびフェニルアゾメチンデンドリマー銅クラスターの焼成条件等を適宜変更した以外は、実施例1と同様の方法で、銅含有クラスターを内包した炭素材料と、これを用いた銅含有クラスター触媒を含む電極を作製し、実施例1と同様の評価を行った。結果を表2に示す。なお、表2中、実施例1〜4は、表1に示したものと同じである。
(Examples 6 to 27)
In Examples 6 to 27, the number of generations of phenylazomethine dendrimers, equivalents of raw materials, and firing conditions of phenylazomethine dendrimer copper clusters were appropriately changed, and copper-containing clusters were encapsulated in the same manner as in Example 1. An electrode including a carbon material and a copper-containing cluster catalyst using the carbon material was produced, and the same evaluation as in Example 1 was performed. The results are shown in Table 2. In Table 2, Examples 1 to 4 are the same as those shown in Table 1.

Figure 2017169682
Figure 2017169682

表2に示されるように、Cuで表される銅含有クラスターは、m/nの比が、0.67である場合に、特に優れた触媒活性を示すことが確認された(実施例1、6、9、15および27)。このようなm/nの比が0.67のCuで表される銅含有クラスターの中でも、特にnが12のとき(実施例1)、全ての生成物を最も多く生成できており、触媒効率が特に優れていることが確認された。As shown in Table 2, the copper-containing clusters represented by Cu n O m is the ratio of m / n is, when it is 0.67, it was confirmed that exhibits particularly excellent catalytic activity (performed Examples 1, 6, 9, 15 and 27). Among such copper-containing clusters represented by Cu n O m having an m / n ratio of 0.67, particularly when n is 12 (Example 1), all products can be produced most. It was confirmed that the catalyst efficiency was particularly excellent.

1………電解装置
3、3a………電解セル
5………ガス回収装置
7………電解液循環装置
9………二酸化炭素供給部
11………電源
13………セパレータ
15a、15b………電解液
16a、16b………槽
17………金属メッシュ
19………カソード電極
21………イオン交換膜
23………電解質
25………アノード電極
27………電極生成装置
29a、29b………槽
31………シール部材
33………還元剤水溶液
35………銅イオン水溶液
50………還元試験装置
51a、51b………槽
53………電解セル
55………電源
57………炭酸水素ナトリウム溶液
59………分析管
61………供給管
63………銅含有クラスター触媒または銅多孔質体
65………イオン交換膜
67………金属性不織布
69a、69b………電極
71………シール部材
73………金属メッシュ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ......... Electrolyzer 3, 3a ......... Electrolytic cell 5 ......... Gas recovery device 7 ......... Electrolyte circulation device 9 ......... Carbon dioxide supply part 11 ......... Power supply 13 ......... Separators 15a, 15b ……… Electrolytes 16a, 16b ……… Bath 17 ………… Metal mesh 19 ………… Cathode electrode 21 ………… Ion exchange membrane 23 ……… Electrolyte 25 ……… Anode electrode 27 ……… Electrode generator 29a , 29b ......... tank 31 ......... sealing member 33 .... reducing agent aqueous solution 35 .... copper ion aqueous solution 50 .... reduction test apparatus 51a, 51b .... tank 53 .... electrolysis cell 55 .... Power source 57... Sodium bicarbonate solution 59... Analysis tube 61... Supply tube 63... Copper-containing cluster catalyst or copper porous body 65. 69b ......... Electrode 71 ......... Sh Seal member 73 ......... metal mesh

Claims (7)

二酸化炭素を還元するために用いられる触媒であって、
前記触媒が、金、銀、銅、白金、ロジウム、パラジウム、ニッケル、コバルト、鉄、マンガン、クロム、イリジウムおよびルテニウムから選択される1種の金属原子(M)を含んでなるクラスターである、金属含有クラスター触媒。
A catalyst used to reduce carbon dioxide,
A metal in which the catalyst is a cluster comprising one metal atom (M) selected from gold, silver, copper, platinum, rhodium, palladium, nickel, cobalt, iron, manganese, chromium, iridium and ruthenium Containing cluster catalyst.
前記クラスターが、前記金属原子(M)を含む金属酸化物からなる、請求項1に記載の金属含有クラスター触媒。   The metal-containing cluster catalyst according to claim 1, wherein the cluster is made of a metal oxide containing the metal atom (M). 前記クラスターが、下記一般式(1)で表される、金属単体または金属酸化物からなる、請求項1または2に記載の金属含有クラスター触媒。
・・・(1)
但し、前記式(1)において、Mは、前記金属原子(M)を表し、nおよびmは整数であり、nは30以下であり、mはnとの関係でm/n比が0〜2である。
The metal-containing cluster catalyst according to claim 1 or 2, wherein the cluster is composed of a single metal or a metal oxide represented by the following general formula (1).
M n O m (1)
However, in the said Formula (1), M represents the said metal atom (M), n and m are integers, n is 30 or less, m is a m / n ratio with respect to n, 0- 2.
前記式(1)において、mは、nとの関係で、m/nが0.5〜1.5となる整数である、請求項3に記載の金属含有クラスター触媒。   4. The metal-containing cluster catalyst according to claim 3, wherein in the formula (1), m is an integer such that m / n is 0.5 to 1.5 in relation to n. 前記クラスターの一次粒径が0.1〜3.0nmである、請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属含有クラスター触媒。   The metal-containing cluster catalyst according to any one of claims 1 to 4, wherein a primary particle size of the cluster is 0.1 to 3.0 nm. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の金属含有クラスター触媒を含む、二酸化炭素還元用電極。   The electrode for carbon dioxide reduction containing the metal containing cluster catalyst of any one of Claims 1-5. 請求項6に記載の二酸化炭素還元用電極を備える、二酸化炭素還元装置。   A carbon dioxide reduction device comprising the carbon dioxide reduction electrode according to claim 6.
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